解金月

摘 要：本文選擇中美兩國高中物理教學(xué)用書，以其中關(guān)于光的雙縫干涉實驗為例，從知識鋪墊與實驗?zāi)K兩個維度進行對比分析。我國教材雖存在知識鋪墊完整等獨到性優(yōu)勢，但其實驗?zāi)K不夠全面等不足之處是不可以忽視的?；谝陨戏治鰧ξ覈滩膶嶒炘O(shè)置提出合理化建議。

關(guān)鍵詞：中美教材對比 雙縫干涉實驗 知識鋪墊 實驗?zāi)K

雙縫干涉實驗是科學(xué)史上一個著名實驗，經(jīng)典的光學(xué)雙縫干涉實驗巧妙地運用了光的相干性，決定性地證明了光的波動理論。本文以雙縫干涉相關(guān)實驗為例，從知識鋪墊、實驗?zāi)K這兩個維度與美國高中物理教材（《Physics：Physics and Problems》系列教材，以下簡稱“美國教材”）之中實驗設(shè)置進行比較分析，總結(jié)我國教材的優(yōu)勢與不足，提出實驗課程部分教材改進的合理化建議。

一、教材之中實驗內(nèi)容

（一）我國教材實驗內(nèi)容

在我國教材中，“用雙縫干涉測量光的波長”實驗選自高中物理選擇性必修一第四章《光》之中，通過光的折射、全反射逐步深入至光的干涉。在第三節(jié)中設(shè)置“演示”環(huán)節(jié)，演示光的雙縫干涉效應(yīng)，給學(xué)生以直觀呈現(xiàn)。隨后對該現(xiàn)象進行直接解釋，指出由兩個波源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加，發(fā)生干涉現(xiàn)象。通過分析得出呈現(xiàn)明暗條紋的原因，并在其中介紹英國物理學(xué)家托馬斯·楊的實驗成就，幫助學(xué)生了解物理概念與理論的發(fā)展過程。隨后創(chuàng)設(shè)情境，采用數(shù)學(xué)模型建構(gòu)的方式引導(dǎo)學(xué)生得到干涉條紋和光的波長之間的關(guān)系，并指明該關(guān)系可在后續(xù)應(yīng)用中幫助測量波長。

實驗重點主要放置在第四節(jié)。因其前鋪設(shè)的知識基礎(chǔ)，故將實驗設(shè)置為測定性實驗。開篇指導(dǎo)語中指出實驗?zāi)康模豪秒p縫干涉實驗中干涉條紋的間距和光的波長之間的關(guān)系測量光的波長。隨后劃分四個模塊：實驗思路、物理量的測量、進行實驗和數(shù)據(jù)分析。通過實驗思路大致描述實驗的進行過程，為學(xué)生在頭腦中構(gòu)建實驗?zāi)Ｐ?。隨后明確需要測得的物理量 等，并在測量過程給出減小誤差的典型方法。進行實驗過程設(shè)置不同色光與不同縫寬，運用控制變量法分別改變?yōu)V光片的顏色和雙縫的距離，觀察干涉條紋的變化。繼而使用測得數(shù)據(jù)計算出相應(yīng)的波長。設(shè)置“拓展學(xué)習(xí)”環(huán)節(jié)提出用光傳感器進行雙縫干涉的實驗，密切聯(lián)系先進的科技手段。并在課后設(shè)置三道相關(guān)的練習(xí)題，在對實驗過程進行鞏固與運用的基礎(chǔ)上對前期學(xué)到的測量知識進行復(fù)習(xí)與應(yīng)用。

（二）美國教材實驗內(nèi)容

在美國教材中，“光的雙縫干涉”實驗則設(shè)置于第十九章干涉與衍射之中。第一節(jié)介紹干涉的相關(guān)知識，同樣提及英國物理學(xué)家托馬斯·楊的實驗成就。隨后簡述關(guān)于光的波長測定的知識，依靠數(shù)學(xué)模型的建立給出可能的求解方式。設(shè)置“例題”及“練一練”進行波長的相關(guān)求解。

實驗重點設(shè)置在章末實驗之中，此處設(shè)置為設(shè)計性實驗，引導(dǎo)學(xué)生開創(chuàng)思維，設(shè)計實驗，通過分析光的雙縫干涉圖樣來測量光波波長。實驗下設(shè)目標(biāo)、安全警示、實驗器材、實驗步驟、分析、結(jié)論與應(yīng)用、進一步探索、生活中的物理學(xué)等共八個模塊。實驗伊始指出其目標(biāo)為對干涉圖樣的觀測和對光波波長的計算。在實驗步驟中逐步引導(dǎo)，從示意圖繪制到實驗裝置測量再到實驗數(shù)據(jù)測定，教師僅起檢查與監(jiān)督作用，尊重學(xué)生的主體地位。分析過程強調(diào)實驗值與公認值進行誤差測算。結(jié)論之中提出改變縫間距與改變光色的可能影響，提升學(xué)生的思維能力，激發(fā)其探索精神。最后深入實驗，引導(dǎo)同學(xué)進行進一步探索，并且聯(lián)系生活實際，聯(lián)想生活中的實驗現(xiàn)象。

二、實驗內(nèi)容對比

中美兩國教材在該實驗的知識鋪墊部分大致相同。我國教材從幾類光學(xué)現(xiàn)象入手，復(fù)習(xí)鞏固與探求新知結(jié)合，逐步深入，引出光的干涉現(xiàn)象。創(chuàng)設(shè)情境，采用數(shù)學(xué)模型建立的方式引導(dǎo)學(xué)生得到最終計算光波波長的公式，知識結(jié)構(gòu)較為完整。美國教材則由“霓虹實驗”入手，引入干涉現(xiàn)象。同樣采用建立數(shù)學(xué)模型的方式推導(dǎo)測定光波波長的相關(guān)公式。

因知識安排結(jié)構(gòu)的不同，我國將本實驗設(shè)置為測定性實驗，即為上一節(jié)所得公式的運用與延伸。會造成實驗過程單一，影響學(xué)生發(fā)散思維的形成。而美國教材則將其設(shè)置為探究性實驗，明確學(xué)生的主體地位，教師的導(dǎo)向作用。就實驗?zāi)K設(shè)置部分，我國教材缺少“安全警示”“生活中的物理學(xué)”等類模塊，在實驗過程未能給學(xué)生提供適當(dāng)?shù)陌踩笇?dǎo)。且實驗操作環(huán)節(jié)未能明確劃分行動指標(biāo)，并未提出“估計”“推斷”等區(qū)分性明顯的行為動詞。在數(shù)據(jù)分析模塊，我國教材僅提出減小誤差的典型性實驗方法即通過測量多個亮條紋間的距離，再求出相鄰兩個條紋間的距離。雙縫干涉實驗常存在實驗現(xiàn)象觀而不清、測量儀器讀數(shù)正確率低等明顯問題。因此該部分的誤差分析尤為重要。但我國教材并未涉及科學(xué)精確的誤差分析。

三、建議

（一）復(fù)習(xí)與探求結(jié)合，知識鋪墊逐步深入

在該實驗中，我國教材知識體系較為完整，可以為學(xué)生提供較為全面的知識結(jié)構(gòu)。但其入手角度不夠新穎，建議以鮮明的實驗現(xiàn)象入手，繼而逐步推進知識深度。實驗部分側(cè)重于公式的復(fù)習(xí)與使用，關(guān)于探究的部分較少，對學(xué)生的引導(dǎo)作用較弱。建議增加關(guān)于探究的部分，可多設(shè)置導(dǎo)向性問題，如：“還可以用什么方式減小實驗誤差？”。

（二）行動與指標(biāo)結(jié)合，實驗?zāi)K系統(tǒng)全面

在實驗?zāi)K劃分之中建議增加關(guān)于“安全指示”內(nèi)容以維護實驗安全，建議增加“誤差分析”的詳細內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生在實驗操作過程中科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒瀾B(tài)度，建議增加“生活應(yīng)用”部分以達到實驗過程密切聯(lián)系生活實際的效果。在描述實驗?zāi)康?、過程、結(jié)果等模塊時建議將行為與指標(biāo)聯(lián)系，使用明確的行為動詞，幫助學(xué)生區(qū)分知識習(xí)得的程度。

結(jié)語

通過對比分析雙縫干涉實驗在兩國教材中的設(shè)置可以發(fā)現(xiàn)我國教材雖存在知識鋪墊完整等獨特性優(yōu)勢，但其不足之處是不可以忽視的。建議在后續(xù)改進過程中繼續(xù)豐富實驗?zāi)K，合理運用行動指標(biāo)，注意學(xué)生發(fā)散思維的培養(yǎng)與創(chuàng)造。在聯(lián)系社會生活的基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)問題情境，從而開闊學(xué)生視野，讓學(xué)生領(lǐng)略物理學(xué)知識在實際生活中獨到的運用價值。

參考文獻

[1]保羅·齊澤維茨.物理原理與問題[M].錢振華，沈珊雄，徐在新譯.杭州：浙江教育出版社，2008.8.